Các proton mang điện tích dương trong hạt nhân nguyên tử thực sự luôn đẩy nhau. Thế nhưng những hạt nhân nặng với nhiều proton và neutron vẫn cứ tồn tại. Cái gọi là "tương tác mạnh" là thứ gây ra việc này. Giáo sư Laura Babbietti cùng nhóm nghiên cứu của bà ở Đại học Công nghệ Munich (TUM) giờ đây đã phát triển một phương pháp để đo chính xác tương tác mạnh bằng cách sử dụng các va chạm hạt trong thiết bị thí nghiệm ALICE của CERN đặt tại Geneva.
Tương tác mạnh là một trong bốn lực cơ bản trong vật lý. Nó chịu trách nhiệm quan trọng đối với sự tồn tại của hạt nhân nguyên tử với sự có mặt của nhiều proton và neutron. Các proton và neutron được tạo thành bởi các hạt nhỏ hơn mà các nhà khoa học gọi là các hạt quark. Các hạt đó cũng được liên kết với nhau bởi tương tác mạnh.
Giáo sư Laura Fabbietti và nhóm nghiên cứu của bà là thành viên của dự án ALICE (viết tắt của "A Large Ion Collider Experiment" - Một thí nghiệm va chạm lớn của các ion), thuộc CERN (Tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu) tại Đại học Công nghệ Munich (Đức). Họ đã phát triển một phương pháp để xác định các lực xảy ra giữa proton và hyperon (những hạt không ổn định được tạo thành bởi các quark loại strange) với độ chính xác cao. Nghiên cứu này đã được đăng trên Nature.
Các phép đo này không chỉ là đột phá trong lĩnh vực vật lý hạt nhân mà còn là chìa khóa để hiểu thêm về các sao neutron - một trong những loại vật thể bí ẩn và hấp dẫn nhất trong vũ trụ.
So sánh giữa lý thuyết và thực nghiệm
Một trong những thách thức lớn nhất trong vật lý hạt nhân ngày nay là làm sao hiểu được tương tác mạnh giữa các hạt chứa thành phần quark khác nhau ngay từ những vấn đề cơ bản nhất là tương tác giữa các quark và gluon - loại hạt truyền tương tác mạnh.
Lý thuyết về tương tác mạnh có thể được sử dụng để xác định độ lớn của tương tác. Tuy nhiên, những tính toán này chỉ cung cấp được những dự đoán đáng tin cậy cho những nucleon thông thường chứa các quark thuộc hai loại up và down chứ không thể đối với những nucleon chứa các quark nặng - chẳng hạn như hyperon có chứa ít nhất một quark strange. (Để hiểu thêm về các hạt cơ bản, đọc bài: Thế giới hạt cơ bản.)
Thí nghiệm để xác định tương tác mạnh là cực kỳ khó bởi hyperon là những hạt không ổn định, chúng nhanh chóng phân rã ngay sau khi được tạo thành. Sự khó khăn này tới nay vẫn ngăn cản việc đối chiếu giữa lý thuyết và thực nghiệm. Phương pháp nghiên cứu mới của Fabbietti mở ra một cách cửa mới để nghiên cứu động lực học của tương tác mạnh với độ chính xác cao ở máy gia tốc LHC.
Đo tương tác mạnh ở ngay cả những hyperon hiếm nhất
Bốn năm trước, Fabbietti - giáo sư ở TUM về vật chất hadron đặc và kỳ lạ - đã đề xuất việc sử dụng một kỹ thuật được gọi là femtoscopy để nghiên cứu tương tác mạnh tại ALICE. Kỹ thuật này cho phép nghiên cứu thang kích thước nhỏ tới 1 femtomet (1 phần triệu tỷ của mét) - tương đương với kích thước của một proton, và bằng với phạm vi tác dụng của tương tác mạnh.
Trong khi đó, nhóm của Fabbietti tại TUM không chỉ phân tích dữ liệu thực nghiệm đối với sự kết hợp hyperon-nucleon mà còn thành công trong việc đo được tương tác mạnh ở loại hyperon hiếm nhất, được gọi là các hạt Omega, được tạo thành từ ba quark strange. Hơn thế nữa, nhóm nghiên cữu cũng đã phát triển cách thức riêng của họ để có thể đưa ra những dự đoán lý thuyết.
Giáo sư Fabbietti nói: "Nhóm của tôi ở TUM đã mở ra một con đường mới cho vật lý hạt nhân ở LHC, một con đường liên quan tới mọi loại quark, đạt tới độ chính xác không ngờ tới ở nơi mà chưa từng có ai nhìn tới."
Các sao neutron có chứa hyperon hay không?
Hiểu được tương tác giữa các hyperon và nucleon cũng cực kỳ quan trọng trong việc kiểm tra giả thuyết về viêc liệu các sao neutron có chứa hyperon hay không. Các lực tồn tại giữa các hạt có tác động trực tiếp ở kích thước của một sao neutron.
Cho tới nay, mối quan hệ giữa khối lượng và bán kính của một sao neutron vẫn chứa được biết rõ. Trong tương lai, công trình của Fabbietti cũng sẽ giúp các nhà khoa học giải được câu đố này về các sao neutron.
Bryan
Theo Space Daily
